Tabakalı soğurucu ortamlarda moment-tensor kaynağı için yapay sismogramlar

Abstract

Bu çalışmada yapay sismogram elde etme yoluyla kuzey İsviçre Alplar bölgesine ait kabuk yapısı özelliklerinin modellenmesine çalışılmıştır. Sismolojide yapay sismogramların temel amaçlarından biri, yer içinde sismik dalga yayılımının özelliklerinin doğru bir biçimde modellenmesini sağlamak ve buna bağlı olarak yer içi yapısını tanıyabilmek için hesaplama yöntemleri geliştirmektir. Günümüzde kuramsal sismogramların elde edilmesi için çeşitli yöntemler kullanılmaktadır. Gözlemsel sismogramlara uygun kuramsal sismogramların elde edilmesi için kullanılan uygun modeller o bölge veya yerin yapısal özelliği hakkında aydınlatıcı bilgiler vermektedirler. Yapay sismogram hesaplamalarında son çalışmaların önemli bir kısmı, bir kaynak tarafından uyarılmış tabakalı ortamın tam yanıtını oluşturmak için analitik yaklaşımların geliştirilmesine dayanır. Frekans / dalgaboyu ortamında bu yanıtı hesaplayabilmek için hazırlanmış bilgisayar program algoritmaları, dalga boyu üzerinde integrasyon işlemiyle, farklı uzaysal koordinatlardaki sismogram gurubunun Fourier bileşenlerini verir. Buna ait karşılaştırmalı kaynaklar, Kennett (1983) ve Chapman ve Orcutt (1985) tarafından verilmiştir. Ortamın fiziksel özelliklerinin yansıma ve iletme katsayıları yardımı ve tanımlanmasıyla, dalga alanının bir kısmına tam yaklaşım yapmak mümkün olur (Kennett ve Kerry 1979). Diğer kısıtlı sismik dalga alanı yaklaşımlarına karşı Genelleştirilmiş Işın metodları, dikkatin sismogramların bir kısmına yoğunlaştırılmasında ve önemli sismik fazların izlenmesinde kullanılır. Tekdüze tabakalı modeller için Cagniard tekniği kullanılabilir (Helmberger ve Harkrider, 1978), ve eğer tabakalara ait tekrarlı yansımalar yeterince mevcut ise sonuç oldukça başarılıdır. Chapman (1978) tarafından ortaya konan WKBJ tekniği yumuşak hız değişimi gösteren profiller için oldukça kullanılabilir bir metod olmaktadır. Genelleştirilmiş Işın metodları, tam elastik varsayıma ve modeldeki soğurma etkisini, ışının bir ortalama soğurma operatörü ile evriştirilmesine dayalıdır. Sistematik yaklaşım geliştirme yolunda ilk olarak Fuch ve Muller (1971), tarafından yansıyabilirlik (Reflectivity) yöntemi geliştirildi. Bu yöntemde yüzey yansımalarının önemsiz olduğu ve yansıma zonlarının dikkatle seçildiği durumlarda oldukça iyi sonuçlar vermektedir. Ancak, dalga alanlarının yüzeydeki etkileşimlerinin sonuçları sismogramın şekillenmesinde oldukça önemli rol oynar. Bunu başarmak için, parçalar halinde tabakalı ortamlara ait yansıma ve iletim katsayılarla, Frekans / Yavaşlama ortamında çalışmak gerekir. Sismik dalga alanının yansıma ve iletme terimlerinin bulunması amacıyla yaklaşımlar kurmak için yarım uzayca sınırlanmış zonlardan gelen yansımalar dikkate alınmalıdır. özvektör ayrışım yoluyla sismik dalganın aşağı ve yukarı doğru olan bileşenlerini ayrıştırmak mümkündür. Eğer ortam düşey simetrik ekseni boyunca izotrop veya tranverse izotrop ise dalga yayılma işlemi iki kısımda incelenebilir. Çift P-SV dalgaları 2*2 'lik yansıma ve iletme katsayılar matrisi ile tek yansıma ve iletme durumundaki SH dalgalarına ait katsayılar matrisinden ibarettir. xi Burada yüzey özelliklerine sahip düzgün dağılmış bir ortam içinde aşağı-yukarı giden dalgalardan yerdeğiştirme bilşenleri yaratılır. Bir yığın tabakadan oluşan ortam için Bölüm-3'de verilen bağıntılar uyarınca, tabaka içi tekrarlı yansımalrı kontrol ederek yansıma ve iletme matrislerini hesaplamak için etkin yinelemeli tekniğine uygun, bağıntılar geliştirilmiştir. Dalga alanlarının bir kısmını, derinlere nüfuz edenler ile sığlarda dolaşanlardan ayıracak şekilde gruplamak oldukça yaralıdır. Bu ise ayırma zonunun tanımlanmasıyla ve bu seviyenin altındaki ve üstündeki seviyelerle ayrı ayrı çalışmakla mümkündür. Sistematik yaklaşımla tepki yanıt oluşturulması için üç aşamadan birincisi: yanıtı içeren fiziksel işleçlerin tanımlanması, ikincisi: izlenecek baskın dalga tipinin seçilmesi, üçüncüsü: kısıtlı bir yavaşlama üzerinden sayısal integral alınmasıdır. Bu işlemler sınırlı uzaklıklarda uygun çözüm üretmek için yapılır. Yansıma ve iletme matrisi türünden verilen sismik dalga alan tanımı doğrudan fiziksel yorumu verir. Böyle bir seçim ile teorik sismogramlar için çok uzun zaman serilerinin üretilmesini gereksiz kılar, ve böylece hesaplama maliyetini azaltır. Diğer bir deyişle örneğin yüzey yansımalarını içerecek bir sığ yanıtın seçilmesiyle, sığ tekrarlanmalar, derinden gelen tekrarlı yansımalar, ve derin yansımaların doğası ayrı ayrı araştırılarak dalga yayılımı sismogramlarda nasıl bir katkıda bulunduğu daha iyi anlaşılabilir. Baskın dalga tipinin seçme yaklaşımının kurulması oldukça önemli dir. Bir hacimde yer alan X noktasından yaratılan bir kaynak tarafından yerdeğiştirme iki katlı integral ile elde edilir. Ortama bağlı fonksiyon Green bağıntısı, kaynağa ait değişken ise Moment-tensor bağıntısınde yer almaktadır. xii Aynı zamanda Dziewonski ve Woodhouse (1983) 'deki gibi hesaplanan ve gerçek sismogramların karşılaştırılması yoluyla kaynak yerinin düzeltilmesi amacıyla kullanılır. Yayınım örüntüleri geometrik terimlerin karşılıklı etkileşimleri, Moment-tensor bileşenlerine bağlıdır. Dalga tipinin seçimi bu nedenle, bir kaynaktan yayılan özel dalga tipleri ile bazı özellikler ve fazların birleşmesi nedeniyle sismik kaydın analizinde en önemli yere sahiptir. Yüzey yerdeğiştirme matrisi yukarı giden dalgaları alır, yatay ve düşey yerdeğiştirmeler üretir. Bu matrisin her bir elemanı bir dalga tipine karşılık gelir. Bir colonun seçilmesiyle alıcıda yanlızca bir tür dalgayı kaydetme kısıtı konulabilir. Serbest yüzey yansımaları dikkate alınmazsa, yansıma matrisi, alttaki bölgeden bilgi getirir. Dalga alanı tanımlanması Frekans - Dalga yavaşlığı ortamında olduğundan dalga yavaşlığı üzerinden integre edilmelidir. Bu integral alma işlemi, yapay sismogramda tanımlanan ilerleyen olaylar boyunca yapılmalıdır. Genelleştirilmiş Yansıyabilirlik (Reflectivity) yöntemine dayanan Kennett 'in 1985 yılında yazdığı bilgisayar programını, bu çalışmada Arupa - Geotraverse proje kapsamı içinde yer alan kuzey İsviçre Alplara ait kabuk model verileri kullanılmıştır. Geniş girdi (input) aralığına sahip olan Genelleştirilmiş Yansıyabilirlik bilgisayar promramına ilişkin bazı açıklamalar ise kısaca aşağıda verilmiştir. Programa iki ayrı girdi dosyasından gereken bilgiler örneğin, P, S hız ve soğurma katsayıları, tabakaya ait yoğunluk ve yüzeyden İtibaren derinlik değerleri girilir. Ayrıca kaynaktaki fazların seçimi, serbest yüzeydeki yansımalar, yer değiştirmeler ve kayıt uzunluğunu, örnekleme aralığını kontrol eden girdiler, kullanıcıya büyük kolaylıklar sağlamaktadır. xiii İlgili bölgede bir çok Jeoloji ve Jeofizik çalışmaları yapılmıştır. Bu bilgilere bağlı olarak bölgenin Jeoloji ve tektoniği hakkında Bölüm-4 'de gereken açıklamalar yapılmış ve kaynaklar verilmiştir. Kabuğun en üst doğu kesiminde, Miosen zamanına ait Molasse'lar üzerine binen, kireçtaşlı ve şeyilli çökellerden oluşmaktadır, alanın batısında ise Klippen napları, son Alplardaki sıkışma döneminde (Pliosen) bölgeye yerleşmişler. Molasse sedimentlerin içinde uzanan Mesozoik ve Paleozoik yaşlı Autochthonous temellere rastlanmaktadır. Temel kaya ise Metasediment, Metagranit, ve kısmen Metamorfik birimlerden oluşmaktadır. Bölgeye ait önceki çalışmalardaki verileri kullanarak yapay sismogramlar üretilmiştir, ve bölgedeki önemli kabuk fazlarının görüntülenmesine çalışılmıştır. Ayrıca bazı fazları kolayca görebilmek için asimptotik ışın izleme paket programı kullanılmıştır. Yapay sismogram hesaplamalarında basit soğurucu yer kabuk modeli seçilip, ayrıca moment tensorun asal köşegeni patlatmalı kaynak için 1 alınmıştır, Kaynak ise 500 m derinlikte yerleştirilmiştir. Her sismogram zaman ortamında toplam 1024 nokta içermektedir, örnekleme aralığı ise birinci model için 0.003 sn. ikinci model için 0.006 sn. üçüncüde ise 0.02 sn. son modelde ise 0.04 sn. alınmıştır. ±lk iki model sırasıyla 1.5 ile 5.5 km derinlikler arasında değişen sığ kabuk modeli test edilmiştir. Burada 5.9 km/sn hızına sahip yaklaşık 5.5 km derinlikten gelen kristallenmiş temel çökellere ait yansımalar ve kırılmalar görülmektedir. Üçüncü ve dördüncü modellerde ise 9 km 'den yansıyan P,P ile 20 km 'den yansıyan P2P görülmektedir, ayrıca yüzeyden itibaren 7 ile 9 km arasındaki düşük hız tabakası xiv Maurer ve Ansorge'ye (1992) göre Aar masifine ait granit olmalıdır. Hız değişimi 20 km kadar oldukça yavaştır, bunu izleyen yüksek hız artışı olası Conrad süreksizliğine denk gelmektedir. Bu süreksizlik yaklaşık 26 km derinlikte hızın 6.35 'ten 6.6 km/sn yükseldiğinden yapay sismogramlarda P3P izlenmektedir. Moho süreksizliği ise yansıyan PgP fazı ile yaklaşık 34 km derinlikte hızın 6.4 'ten 8.1 km/sn 'ye yükseldiği, yapay sismogramlarda görülmektedir.

In this dissertation the crustal structure beneath the northern margin of the Swiss Alps has been investigated using Generalized Reflectivity synthetic seismograras. The algorithms was developed by Kennett (1983, 1988). Many of the available methods can only give the complete response. However, following a physically based approach based on a representation in terms of the reflection and transmission properties of the medium, it is possible to extract approximations to portions of the wavefield (Kennett and Kerry, 1979). The input data which, are derived from the previous works during the Buropean Geotraverse project are used for several possible crustal models. The seismic phases on the synthetic seismogram are identified by using the travel-time curves calculated using Asymptotic Ray theory. The results of the crustal model may be summarized as follows: some strong reflections from 9, 20, 26 (Conrad discontinuity), and 34 km (Moho discontinuity) depths have been observed in synthetic seismograms. The most reliable models indicate that the sedimentary layer in the area is about 5.5 km thick. There is a low velocity layer between 9 and 20 km with the velocity of 6.15 km/sec. The average crustal thickness is 34 km below which the uppermost mantle PB wave velocity is about 8.l km/sec.